動(dòng)力擾動(dòng)下煤體破裂電磁和微震響應(yīng)特征及關(guān)聯(lián)性

王金貴，張 蘇，胡維喜，張佳慶

(1. 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116； 2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083； 3. 福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福建 福州 350116； 4. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601)

0 引言

歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的開(kāi)采，我國(guó)大部分礦井進(jìn)入了深部開(kāi)采時(shí)期. 隨之而來(lái)的是地應(yīng)力和煤層瓦斯壓力明顯增大，地質(zhì)條件也日益復(fù)雜，煤巖動(dòng)力災(zāi)害日益嚴(yán)重[1-4]. 動(dòng)力災(zāi)害實(shí)質(zhì)是煤巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破所致，已有研究[3-11]表明，該過(guò)程中往往伴隨著電磁及微震的異常波動(dòng)，且信號(hào)特征與煤巖變形破裂過(guò)程密切相關(guān).

任學(xué)坤等[5]通過(guò)對(duì)預(yù)制裂紋巖板進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋巖板電位和電磁輻射隨載荷的變化而變化. Kong等[6]研究高溫處理后的砂巖變形破裂過(guò)程中的電磁信號(hào)特征，發(fā)現(xiàn)電磁信號(hào)與應(yīng)力值正相關(guān)，且經(jīng)過(guò)不同溫度處理的試件伴隨的電磁信號(hào)存在差異. 姚精明等[7]通過(guò)煤巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)該過(guò)程中電磁信號(hào)的多重分形譜寬度ΔDq與試樣所受的應(yīng)力水平密切相關(guān). Song等[8]研究了煤巖受載破裂過(guò)程中電磁信號(hào)頻譜的變化特征，發(fā)現(xiàn)隨著所受應(yīng)力的增加，電磁信號(hào)主頻從0～60 kHz下降至0～20 kHz. 李成武等[9]通過(guò)利用霍普金森沖擊壓桿對(duì)煤體施加沖擊載荷，測(cè)試分析了煤體沖擊破裂過(guò)程中的電磁特征. 對(duì)于煤巖破裂微震信號(hào)特征的研究，朱權(quán)潔等[10]利用煤與瓦斯突出模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)突出過(guò)程中的微震信號(hào)時(shí)頻特征具有階段性和差異性. 雷文杰等[11]研究了頂板、煤壁破裂過(guò)程伴隨的微震信號(hào)響應(yīng)特征，提出利用微震事件及其主頻帶能量趨勢(shì)進(jìn)行采動(dòng)應(yīng)力轉(zhuǎn)移、調(diào)整的預(yù)測(cè). 郭超等[12]利用一種隨信號(hào)自適應(yīng)改變參數(shù)的信號(hào)濾波器，進(jìn)行礦山實(shí)測(cè)震動(dòng)信號(hào)的預(yù)處理，以消除低頻基線漂移及工頻干擾的影響. 陸菜平等[13]分析了沖擊地壓、煤層泄壓爆破和頂板泄壓爆破3種過(guò)程中伴隨的微震信號(hào)頻譜特征，發(fā)現(xiàn)它們的頻域都低于200 Hz，但主頻差異較大. 綜上所述，煤體破裂電磁及微震信號(hào)已被廣泛應(yīng)用于礦井動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)，并取得較好效果，但現(xiàn)有研究較少考慮采掘作用的動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)煤體損傷的影響.

通過(guò)統(tǒng)計(jì)礦井歷年的沖擊礦壓案例，梁冰等[14]發(fā)現(xiàn)93.3%的沖擊事件是被動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)的. 蔡成功等[15]統(tǒng)計(jì)了我國(guó)有明確作業(yè)方式記錄的8 669次突出事例，發(fā)現(xiàn)由放炮、打鉆等作業(yè)方式擾動(dòng)誘發(fā)的突出有8 362次，占比高達(dá)96. 5%. 掘進(jìn)爆破、放炮落煤及鉆探作業(yè)等是煤炭采掘過(guò)程中常見(jiàn)的動(dòng)力擾動(dòng)形式，這些擾動(dòng)打破原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起載荷遷移和應(yīng)力集中現(xiàn)象； 應(yīng)力波在煤巖體中傳播造成裂隙的產(chǎn)生與發(fā)展，使其損傷變形，內(nèi)摩擦力減小，承載能力降低，最終造成煤巖體失穩(wěn)而觸發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害. 特別在大采深時(shí)期，巨大的地應(yīng)力使煤巖體積聚了很大的能量，其自身已是臨界穩(wěn)定狀態(tài)，顯著增加了動(dòng)力擾動(dòng)觸發(fā)煤巖動(dòng)力災(zāi)害的可能性. 因此，掌握煤巖體在采掘擾動(dòng)作用下破壞失穩(wěn)時(shí)的電磁及微震信號(hào)特征，對(duì)于災(zāi)害預(yù)警中區(qū)分動(dòng)力擾動(dòng)下的正常和異常信號(hào)具有重要意義.

去噪是分析信號(hào)特征前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雷文杰等[11]、李學(xué)龍等[16]、楊楨等[17]利用小波變換對(duì)微震信號(hào)去噪，分析其頻譜特征. 小波變換雖具有較強(qiáng)時(shí)頻分析能力，但應(yīng)用中小波基函數(shù)和分解層數(shù)的選擇對(duì)去噪成效影響很大，導(dǎo)致去噪結(jié)果不穩(wěn)定且有效性低[18]. Huang等[19]提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法可很好地應(yīng)對(duì)隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)，該算法不需選擇基函數(shù)及分解層次，而是經(jīng)迭代自適應(yīng)，把原信號(hào)分解成多尺度的內(nèi)蘊(yùn)模態(tài)函數(shù)分量，該方法已被成功用于處理振動(dòng)信號(hào)、電磁信號(hào)和診斷機(jī)械故障等[20-22].

本研究利用ZDKT-1型煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)平煤十礦己15-21180機(jī)巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析現(xiàn)場(chǎng)煤巖體在強(qiáng)烈的采掘動(dòng)力擾動(dòng)下的電磁及微震信號(hào)特征，探究該破裂過(guò)程中電磁和微震信號(hào)的耦合關(guān)系.

1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備概況

1.1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)介

爆破測(cè)試地點(diǎn)為平煤集團(tuán)十礦己15-21180機(jī)巷掘進(jìn)工作面，該礦主采煤層(丁組、戊組和己組)均發(fā)生過(guò)不同強(qiáng)度的突出，煤巖動(dòng)力災(zāi)害嚴(yán)重威脅著該礦的生產(chǎn)作業(yè). 測(cè)試工作面開(kāi)采的己15煤層厚度在1.6～2.3 m之間，煤層傾角8°～20°，最大煤層瓦斯壓力為2.4 MPa，煤層瓦斯含量13～20 m3/t.

1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備及布置簡(jiǎn)介

采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)生產(chǎn)的ZDKT-1型煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)對(duì)前述掘進(jìn)工作面進(jìn)行動(dòng)力災(zāi)害危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)通過(guò)配套的電磁接收天線及微震傳感器采集相應(yīng)數(shù)據(jù). 為了避免監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)施工的影響，同時(shí)也為降低作業(yè)對(duì)設(shè)備的干擾，在保證振動(dòng)、電磁傳感器有效監(jiān)測(cè)范圍的基礎(chǔ)上，將兩類傳感器安置在距掘進(jìn)面迎頭20 m處，詳見(jiàn)圖2.

電磁接收天線的磁棒直徑為100 mm，1 000匝線圈繞在該磁棒上，內(nèi)阻為21.8 Ω，電感為11.39 mH，電容為13.61 μF. 接收天線的有效接收頻段為0～2.2 kHz，在該頻段的信號(hào)能量級(jí)在10-7V2以上. 微震傳感器采用COLIBRYS公司生產(chǎn)的SF1500MEMS電容性加速度計(jì)，頻響范圍為0～1.5 kHz，對(duì)弱信號(hào)可提高到5 kHz. 動(dòng)態(tài)范圍為120 dB，可受沖擊限制在1.5 kg以內(nèi).

圖1 ZDKT-1型煤巖動(dòng)力災(zāi)害實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)Fig.1 ZDKT-1 type of coal and rock dynamic disasters experiment simulation system

圖2 平煤十礦掘進(jìn)工作面測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of measuring points on excavating working face of Pingmei ten mine

2 信號(hào)去噪方法

2.1 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)噪聲特征

為了便于選擇信號(hào)去噪方法，需先分析現(xiàn)場(chǎng)電磁及微震信號(hào)背景噪聲的特征.

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)電磁噪聲

電磁信號(hào)監(jiān)測(cè)中的干擾源分成兩類：采集系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲和外部噪聲，前者主要是元器件的散粒噪聲以及熱噪聲，后者主要是50 Hz工頻干擾及其諧波干擾. 圖3為截取的一段現(xiàn)場(chǎng)電磁背景噪聲及其頻譜圖. 從圖3中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)電磁背景噪聲的幅值在1.5 mV以下，持續(xù)波動(dòng)且無(wú)明顯變化. 從頻譜圖可以看出電磁背景噪聲在620、780和1 420 Hz有明顯的變化，其中主頻在780 Hz，這與實(shí)驗(yàn)室背景噪聲基本為50 Hz的倍頻規(guī)律不同. 這是由于電力行業(yè)的頻率標(biāo)準(zhǔn)是50 Hz，頻率在48～52 Hz都屬于正常范圍，實(shí)驗(yàn)室使用的為城市用電，較為規(guī)范； 而煤礦掘進(jìn)機(jī)使用的為1.14 kV三相電，煤礦井下高壓用電頻率不能保證為50 Hz.

圖3 現(xiàn)場(chǎng)電磁背景噪聲及其頻譜Fig.3 Electromagnetic signal background noise in the mine

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)微震噪聲

采集的微震信號(hào)中混雜了一些幅值穩(wěn)定的噪聲，這些噪聲可能來(lái)自地層的規(guī)律性振動(dòng)及采集系統(tǒng)自帶噪聲. 圖4為截取的5 s現(xiàn)場(chǎng)微震噪聲及其快速傅里葉變換頻譜圖，由圖4可以看出，現(xiàn)場(chǎng)微震信號(hào)背景噪聲在0.5 mV左右持續(xù)波動(dòng)，且無(wú)明顯變化. 從頻譜圖可以看出微震背景噪聲在120、500、650、780和1 420 Hz有明顯的變化，其中主頻在1 420 Hz.

圖4 現(xiàn)場(chǎng)微震噪聲及其頻譜Fig.4 Micro-seismic signal background noise in the mine

2.2 信號(hào)去噪方法

通過(guò)前述現(xiàn)場(chǎng)噪聲特征的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電磁及微震背景噪聲均為具有多個(gè)主頻的寬頻擾動(dòng)，結(jié)合當(dāng)前常用去噪方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang transform，HHT)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，其核心是借助整體經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥?ensemble empirical mode decomposition，EEMD)分解重構(gòu)信號(hào)，主要有兩個(gè)作用：去除疊加波和使波形更加對(duì)稱[23].

EEMD的基本原理[24-25]是：先找出原信號(hào)X(t)的所有極值點(diǎn)，分別連接各極大、極小值點(diǎn)得到上包絡(luò)線Xmax(t)和下包絡(luò)線Xmin(t)，計(jì)算上、下包絡(luò)線的平均值線m1(t)，用X(t)減m1(t)得到h1(t). 再將h1(t)按前述步驟處理，即得到h11(t)=h1(t)-m11(t)，m11(t)為h1(t)的上、下包絡(luò)線均值, 如下式所示，重復(fù)k次，若h1k(t)和h1(k-1)(t)滿足SD小于0.25，則終止運(yùn)算.

2.3 信號(hào)能量表達(dá)

電磁和微震信號(hào)能量值是衡量煤巖損傷程度的重要指標(biāo)，該值可通過(guò)巴什瓦(Parseval)定理(式(2))求取，即利用前述EEMD的分解結(jié)果，求除噪聲模量以外的各模量能量值之和[25].

其中：i表示模量數(shù)；m是采樣點(diǎn)數(shù)；Ei，j(tj)為模量i在節(jié)點(diǎn)j處的頻帶能量值;xj，k為重構(gòu)信號(hào)fi，j(tj)的采樣點(diǎn)幅值.

2.4 信號(hào)去噪效果

利用前述去噪方法對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，限于篇幅，只列舉一組去噪前后的信號(hào)圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示. 從圖5可以看出，通過(guò)前述方法，原信號(hào)中背景噪聲得到明顯減弱，且有效地保留了信號(hào)特征，原信號(hào)幅值未出現(xiàn)明顯下降.

圖5 電磁原始信號(hào)及其降噪后信號(hào)Fig.5 Electromagnetic signals before and after denoising

3 電磁和微震信號(hào)關(guān)聯(lián)性測(cè)試結(jié)果

利用前述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)2012年9月22日至2012年9月26日期間該掘進(jìn)工作面10次爆破作業(yè)的電磁和微震信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)在爆破作業(yè)后炮孔附近的煤體均發(fā)生了失穩(wěn)破壞，且在這些爆破掘進(jìn)作業(yè)中均存在明顯的電磁和微震信號(hào).

3.1 電磁及微震信號(hào)

利用前述EEMD去噪方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電磁及微震信號(hào)進(jìn)行降噪處理. 圖6為去噪后的電磁信號(hào)與微震信號(hào)對(duì)應(yīng)圖(左側(cè)為電磁，右側(cè)為微震). 分析各次作業(yè)過(guò)程中的電磁和微震信號(hào)出現(xiàn)時(shí)間點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)兩類信號(hào)具有時(shí)間上的同步性，即煤體破裂損傷過(guò)程中產(chǎn)生的微震和電磁異常幾乎是同步的.

分析信號(hào)特征發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程中的電磁信號(hào)存在明顯脈沖特性，單邊幅值在14 mV左右； 而微震信號(hào)與電磁信號(hào)相比，波形存在差異，微震信號(hào)波形為更具對(duì)稱性的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，單邊幅值也明顯大于電磁信號(hào)，達(dá)到100 mV左右. 總體而言，兩類信號(hào)的幅值要明顯大于室內(nèi)煤體破裂實(shí)驗(yàn)，這主要是由于煤巖破裂的速率及體量不在一個(gè)量級(jí)導(dǎo)致的.

圖6 去噪后電磁及微震信號(hào)對(duì)應(yīng)圖Fig.6 Electromagnetic signals and micro-seismic signals after denoising

3.2 電磁與微震信號(hào)關(guān)聯(lián)性

前述分析發(fā)現(xiàn)，同次作業(yè)過(guò)程的電磁和微震信號(hào)具有時(shí)間上的同步性. 為了分析兩類信號(hào)的單邊幅值、能量等參數(shù)的相關(guān)性，對(duì)去噪后信號(hào)的幅值及能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分別進(jìn)行相關(guān)性分析(見(jiàn)圖7).

從圖7可以看出，現(xiàn)場(chǎng)兩類信號(hào)幅值的線性擬合相關(guān)性系數(shù)(0.756)要小于能量線性擬合關(guān)系(0.966)，分析認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于兩類信號(hào)在波形及頻率上的差異，微震信號(hào)比電磁信號(hào)更易出現(xiàn)尖峰型的波形，但這并不影響兩類信號(hào)在能量上符號(hào)較好的線性擬合關(guān)系.

圖7 煤巷爆破掘進(jìn)電磁和微震振幅及能量關(guān)系Fig.7 Amplitude and power relations of electromagnetic and micro-seismic of blasting excavation site

4 結(jié)語(yǔ)

以動(dòng)力擾動(dòng)下煤體破裂電磁、微震信號(hào)特征及關(guān)聯(lián)性為研究對(duì)象，基于煤巖動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展了爆破擾動(dòng)煤體電磁和微震信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn). 主要得到以下結(jié)論：1) 受供電頻率波動(dòng)的影響，煤礦井下電磁和微震背景噪聲為具有多個(gè)主頻的寬頻擾動(dòng)，且不嚴(yán)格符合50 Hz的倍頻； 2) 現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程中的電磁信號(hào)存在明顯脈沖特性，單邊幅值在14 mV左右； 而微震信號(hào)波形為更具對(duì)稱性的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，單邊幅值達(dá)到100 mV左右； 3) 煤體破裂電磁和微震兩類信號(hào)具有時(shí)間上的同步性； 4) 電磁和微震信號(hào)能量符合較好的線性關(guān)系，擬合相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.966，因兩類信號(hào)在波形及頻率上的差異，微震信號(hào)比電磁信號(hào)更易出現(xiàn)尖峰型的波形，導(dǎo)致兩類信號(hào)幅值的線性擬合相關(guān)性系數(shù)較低(0.756). 研究成果對(duì)礦井煤巖動(dòng)力災(zāi)害的電磁、微震預(yù)測(cè)工作具有重要意義.

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